Huygens y la Luz

Una fuente luminosa emite ondas esféricas, de la misma manera que un movimiento ondulatorio en la superficie del agua emite ondas superficiales. Un rayo de luz está materializado por una recta perpendicular a la superficie de la onda. Cada punto de una onda luminosa primaria se comporta como un centro emisor que, a su vez, emite ondas secundarias de la misma frecuencia y velocidad que las ondas primarias. La onda resultante es la envolvente de las ondas secundarias. Esto se debe a un fenómeno llamado reflexión de la luz.

Reflexión de la Luz

La reflexión ocurre cuando los rayos de luz que inciden en una superficie chocan en ella, se desvían y regresan al medio del que salieron, formando un ángulo igual al de la luz incidente.

Refracción de la Luz

La refracción es el cambio de dirección que experimenta una onda al pasar de un medio material a otro. Solo se produce si la onda incide oblicuamente sobre la superficie de separación de los dos medios y si estos tienen índices de refracción distintos. La refracción se origina en el cambio de velocidad de propagación de la onda señalada.

Reflexión Interna Total

En óptica, la reflexión interna total es el fenómeno que se produce cuando un rayo de luz atraviesa un medio de índice de refracción n₂ menor que el índice de refracción n₁ en el que se encuentra. Se refracta de tal modo que no es capaz de atravesar la superficie entre ambos medios, reflejándose completamente. Este fenómeno solo se produce para ángulos de incidencia superiores a un cierto valor crítico, θ_c. Para ángulos mayores, la luz deja de atravesar la superficie y es reflejada internamente de manera total. La reflexión interna total solamente ocurre en rayos viajando de un medio de alto índice refractivo hacia medios de menor índice de refracción.

Primer Postulado: Principio de Relatividad

1. Las leyes físicas no varían con una transformación de coordenadas inerciales. Esto es: si un objeto, en el espacio-tiempo, cumple las ecuaciones matemáticas que describen alguna ley física en un determinado sistema de referencia inercial, deberá, necesariamente, obedecer las mismas ecuaciones bajo otro sistema de referencia inercial.
2. La velocidad de la luz en el vacío tiene el mismo valor en todos los sistemas inerciales, independientemente del valor de la velocidad del observador y del de la velocidad de la fuente emisora de la luz.

Cuerpo Negro y Efecto Fotoeléctrico

Planck. El cuerpo negro (ideal) es aquel que, además, absorbe toda la radiación que llega a él sin reflejarla, de tal forma que solo emite la correspondiente a su temperatura. El efecto fotoeléctrico consiste en la emisión de electrones por un material cuando se hace incidir sobre él una radiación electromagnética.

Descripción del Efecto Fotoeléctrico

Se podría decir que el efecto fotoeléctrico es lo opuesto a los rayos X, ya que indica que los fotones pueden transferir energía a los electrones. Los fotones del rayo de luz tienen una energía característica determinada por la frecuencia de la luz. En el proceso de fotoemisión, si un electrón absorbe la energía de un fotón y este último tiene más energía que la función de trabajo, el electrón es arrancado del material. Si la energía del fotón es demasiado baja, el electrón no puede escapar de la superficie del material.

Intensidad y Energía de los Fotones

Aumentar la intensidad del haz no cambia la energía de los fotones constituyentes, solo cambia el número de fotones. En consecuencia, la energía de los electrones emitidos no depende de la intensidad de la luz, sino de la energía de los fotones. Los electrones pueden absorber energía de los fotones cuando son irradiados, pero siguiendo un principio de «todo o nada». Toda la energía de un fotón debe ser absorbida y utilizada para liberar un electrón de un enlace atómico, o si no, la energía es re-emitida. Si la energía del fotón es absorbida, una parte libera al electrón del átomo y el resto contribuye a la energía cinética del electrón como una partícula libre.

Contribuciones de Einstein

Einstein no se proponía estudiar las causas del efecto en el que los electrones de ciertos metales, debido a una radiación luminosa, podían abandonar el metal con energía cinética. Intentaba explicar el comportamiento de la radiación, que obedecía a la intensidad de la radiación incidente, al conocerse la cantidad de electrones que abandonaban el metal, y a la frecuencia de la misma, que era proporcional a la energía que impulsaba a dichas partículas.

Premio Nobel de Física

Albert Einstein propuso una descripción matemática de este fenómeno que parecía funcionar correctamente y en la que la emisión de electrones era producida por la absorción de cuantos de luz que más tarde serían llamados fotones. En un artículo titulado «Un punto de vista heurístico sobre la producción y transformación de la luz» mostró cómo la idea de partículas discretas de luz podía explicar el efecto fotoeléctrico y la presencia de una frecuencia característica para cada material por debajo de la cual no se producía ningún efecto. Por esta explicación del efecto fotoeléctrico, Einstein recibiría el Premio Nobel de Física en 1921.

Demostración Experimental

El trabajo de Einstein predecía que la energía con la que los electrones escapaban del material aumentaba linealmente con la frecuencia de la luz incidente. Sorprendentemente, este aspecto no había sido observado en experiencias anteriores sobre el efecto fotoeléctrico. La demostración experimental de este aspecto fue llevada a cabo en 1915 por el físico estadounidense Robert Andrews Millikan.